基于無反射棱鏡全站儀的改進高墩垂直度測量法

林樂鑫，趙 望，張 偉，楊一科

(長沙理工大學，湖南 長沙 410000)

1 概 述

在工程實際現場施工中，傳統測定建筑物方法有懸吊垂球法、測水平角法、經緯儀投影法等，這些方法都是通過測量并且計算從而得出所求方向的偏離值，求得建筑物或者構造物的傾斜量。對于工程現場，高墩施工過程大體采用懸吊垂球法，這種方法雖然簡單直觀，但是此法容易產生誤差。當橋墩越來越高，鉛垂線可能由于垂球重量不夠而在風荷載的作用下導致很大的偏位，進而導致結果不準確。風力的大小對結果也有一定的影響。測水平角法以及經緯儀投影法需要在互相垂直的方向上測得偏離分量或者偏離值，接著用矢量相加的方法從而求得構造物或者建筑物的偏離值。全站儀能夠直接測出構造物或者建筑物在所求方向的垂直方向的不同高程的點的三維坐標，從而計算出構造物或者建筑物在所求方向的傾斜量，測量過程中設站只要一次，并且可以測得任意高度的兩點的傾斜量。

2 無反射棱鏡測量

2.1 原理

無反射棱鏡全站儀是利用光的反射特性并測得光與物體之間的往返時間，從而測得全站儀與物體之間的距離。假設光在大氣中以速度傳播，在1、2點間往返一次所需時間為，則1、2點間的距離可用以下式子表示。

(1)

式中：為測站點1、2間的距離，m；為光在地球大氣層中的傳播速度，m/s；為光在1、2兩點間往返一次所需的時間，s。

由式(1)可知，只要測得1、2點間光往返的傳播時間，就可以求得兩點間的距離。

2.2 無反射棱鏡測量的特點

測量時設站靈活。為了便于測量，實際測量過程中常采用后方交會設站或者將測站點定為原點，能夠根據現場條件得到最佳的觀測位置，使得設站靈活，從而減少測量對其他工序的影響，同時減少了其他工序對測量的影響。

測量速度快。無反射棱鏡全站儀的測距速度一般在幾秒內就可完成，既減少了作業時間，還減輕了作業人員的工作強度。

實用性強。無棱鏡測量技術適合應用于測量人員不方便到達的地方，不但減少了工作量，還降低了作業過程的安全風險。

測量距離遠。有的儀器測量距離可達5 km。

2.3 測量時要注意的問題：

考慮目標位置以及瞄準角度。測量光束與目標表面的夾角是影響測量結果的重要因素之一。一般情況下，當入射光線與目標表面的夾角小于15°時，返回的光線就會有有所損失，得出的結果偏差也就越大。

考慮目標的測程。目標表面的顏色、目標形狀以及目標的結構都與測程有關。粗糙的表面(如混凝土蜂窩麻面)漫反射大、返回的信息弱、測程也就短。

目標的最佳品質。顏色應為棕色或白色，盡量無光澤，表面粗糙度宜在1～2 mm。

視準線附近不應有帶色的反射物或其他光活動；避免正對太陽測量，否則會出現無法測量的情況。

儀器和目標間有物體經過時，必須等物體經過后才可進行測量。

2.4 無反射棱鏡全站儀測量法存在的問題

無反射棱鏡法是目前用于測量橋墩偏位最常用的方法，雖然此法有諸多優點，但該方法在某些情況下的測量結果不盡人意，容易產生誤差。例如當測量橫橋向存在偏位的高墩縱橋向偏位時，得出的結果不僅包含橫橋向的偏位還有順橋向的偏位。

鑒于以上種種情況，結合工程實際，在無反射棱鏡全站儀測量法的基礎上提出了改進的無反射棱鏡全站儀測量法。它能在一個測站上更加準確地計算出高墩的縱(橫)向偏位。

3 改進的無反射全站儀測量法原理

3.1 原 理

查正軍等在無反射棱鏡全站儀測量法測量建筑物傾斜量的基礎上將獨立坐標系轉換為墻面坐標系，完成了建筑物的傾斜測量。基于改進的無反射棱鏡全站儀的高墩垂直度測量是在橋墩的附近建立獨立的坐標系，接著利用無反射棱鏡全站儀觀測橋墩橫向或者縱向的墩中心的距測站的水平距離，然后基于改進的方法進行相關計算，從而得出橫向或者縱向的墩中心的偏位。

現場具體實施具體步驟如下。

選擇合適的地點，在橋墩附近建立獨立坐標系，在全站儀中輸入測站和定向點坐標(可以把測站點設為原點，全站儀采用盤左測量，將定向點選為橋墩底部的一個角點，將測站點和定向點的連線作為一坐標軸)，測出橋墩所求偏位方向底部左右兩個角點的角度。

計算得出1/2夾角的度數。全站儀保持豎直制動不動，調整水平制動使角度值等于1/2夾角。此時該點為所求偏位方向的理論橋墩中線。

繼續瞄準上部表面進行水平、豎直制動測量結構物測試范圍內的上部表面到儀器的水平距離以及儀器水平面到上部表面的高差，保持水平制動，松開豎直制動移動至上部表面后測量水平距離以及儀器水平面到上部表面的高差，以此類推到、。則橋墩上下兩點的平距差計算式子如式(2)所示。

1=-(=1,2,3,4,…)

(2)

式中:1為橋墩表面任意一點跟起始點的平距差。

由于地勢原因，不可避免會出現測站點與測試面不垂直的情況，會出現一定的夾角，以至測量得出的數據不僅包含順橋向的偏差還包括橫橋向的偏差，即有一定的誤差，并且根據測試距離的遠近以及與測試面的夾角大小造成的誤差也不一樣。

鑒于以上情況，需將測方法進一步改進。如圖1所示。具體實施方案如下所述。

圖1 修正后的平距法

3.2 理論計算具體步驟

測出水平角∠，以及、的水平距，、。

轉動水平微動螺旋，將全站儀的水平角調到角平分線位置，此時即選取到了橋墩的中心線，之后只需調動豎直微動螺旋，即可得到橋墩中心線每個高程的水平距。

由于已知橋墩的長度，利用數學方法得到∠，∠的角度，然后根據測得的、。可以修正得到每一個的距離。根據的距離得到平距差。

4 實 例

巴洛河特大橋地處貴州高原向湘西丘陵過渡地帶的北部邊緣一帶，場區屬構造溶蝕底山地貌。橋址區有鄉村路通至附近，交通條件較好。全橋共兩聯：(95+180+95)m；起始樁號：K88+970，終止樁號：K89+671.5，橋長701.5 m，上部結構主橋采用變截面預應力混凝土剛構，引橋結合地形條件采用40 m先簡支后連續預應力混凝土T梁。下部結構主墩墩身采用雙肢等截面矩形空心薄壁墩，主墩采用整體式承臺基礎，基礎采用樁基礎。

主橋上部構造(95+180+95)m三跨預應力混凝土連續剛構箱梁，箱梁根部梁高11.5 m，跨中梁高4.0 m，頂板厚32 cm，墩頂箱梁頂板加厚到80 cm，底板厚從跨中至根部由32 cm變化為110 cm，腹板從跨中至根部分三段采用50 cm、60 cm、80 cm三種厚度，箱梁高度和底板厚度按1.8次拋物線變化。箱梁頂板橫向寬12.55 m，箱底寬6.5 m，翼緣懸臂長3.025 m。箱梁0號節段長16 m(包括墩兩側各外伸1 m)，每個懸澆“T”縱向對稱劃分為22個節段，梁段數及梁段長從根部至跨中分別為7×3.0 m、15×4.0 m，節段懸澆總長81.0 m。邊、中跨合攏段長均為2 m，邊跨現澆段長4 m。箱梁根部設4道厚0.7 m的橫隔板，中跨跨中設一道厚0.4 m的橫隔板，邊跨梁端設一道厚1.8 m的橫隔板。

巴洛河特大橋1、2墩以及3墩都屬于高墩，橋墩施工過程中垂直度的監測必不可少。將改進后的無反射棱鏡全站儀測量法應用于某特大橋83 m高左幅3墩上。

基于無反射棱鏡全站儀測量法得出左幅3墩順橋向的傾斜量如表1所示。

表1 3#順橋向偏位

對同一高程點基于改進無反射棱鏡全站儀測量法得出左幅3墩順橋向的傾斜量如表2所示。

表2 3#墩順橋向偏位

根據事先在同一高程位置粘貼好的反射片，利用全站儀普通測量模式測得各點坐標進行坐標運算，得到墩偏位數據如表3所示。

表3 3#墩普通測量模式下偏位

由此可以看出，將改進的無反射棱鏡全站儀測量法應用于實際工程中，可獲得較高的測量精度。

5 結束語

提出了基于無反射棱鏡全站儀的改進測量方法，對于一些需要精密測量但人工無法到達或者危險性比較大的地方，應用該法可以得到更準確地結果。結合了工程實際，進一步論證了該法的可行性。